Ny teknik til at udforske strukturelle dynamikker i nanoworld

En ny teknik til visualisering af de hurtigt skiftende elektroniske strukturer i atomskala materialer, når de vrider sig, tumble and traipse tværs over nanoworlden tager form på California Institute of Technology. Der, forskere har for første gang med succes kombineret to eksisterende metoder til at visualisere den strukturelle dynamik i en tynd film af grafit.

Beskrev denne uge i tidsskriftet Structural Dynamics, fra AIP Publishing og American Crystallographic Association, deres fremgangsmåde integrerede en yderst specifik strukturel analyseteknik kendt som "kernetabspektroskopi" med en anden fremgangsmåde kendt som ultrahurtig fire-dimensionel (4-D) elektronmikroskopi-en teknik, som blev udviklet af Caltech-laboratoriet, som ledes af nobelpristageren Ahmed Zewail.

Ved kernetabspektroskopi, højhastigheds-sonderingselektronerne kan selektivt excitere kerneelektroner for et specifikt atom i et materiale (kerneelektroner er dem, der er tættest bundet til atomkernen). Mængden af ​​energi, som kerneelektronerne får, giver indsigt i den lokale elektroniske struktur, men teknikken er begrænset i den tidsopløsning, den kan opnå - traditionelt for langsom til hurtige katalytiske reaktioner. 4-D elektronmikroskopi afslører også materialers strukturelle dynamik over tid ved at bruge korte pulser af elektroner med høj energi til at undersøge prøver, og den er konstrueret til ultrahurtig tidsopløsning.

Kombinationen af ​​disse to teknikker gav teamet mulighed for præcist at spore lokale ændringer i elektronisk struktur over tid med ultrahurtig tidsopløsning.

"I dette arbejde, vi demonstrerer for første gang, at vi kan sondere dybe kerneelektroner med temmelig høje bindingsenergier på over 100 eV, "sagde Renske van der Veen, en af ​​forfatterne til den nye undersøgelse. "Vi er udstyret med et ultrahurtigt sonderingsværktøj, der kan undersøge, for eksempel, afslapningsprocesserne i fotokatalytiske nanopartikler, fotoinducerede faseovergange i nanoskala materialer eller ladningsoverførselsdynamikken ved grænseflader. "

Kombination af to teknikker på en bordplade

Integrationen af ​​de to teknikker viste sig at være udfordrende. Fordi elektroner afviser hinanden, der er kun så mange elektroner, der kan pakkes i en puls. Når du forkorter hver puls for at øge tidsopløsningen, hver puls indeholder så færre elektroner, og chancen for interaktion mellem sonderende elektroner og kerneelektronerne falder. Især ved de høje energiniveauer, der kræves for at ophidse de dybe kerneelektroner (1. og 2. elektronskal), "signalet fra mange elektronpakker skal integreres over lang tid, "forklarede van der Veen.

Forskerne testede deres teknik på grafit tynde film, demonstrerer, at laser-excitation får carbon-carbon-bindingerne i strukturen til at ekspandere og π-π* energigabet til at skrumpe på picosekund (en billioner af et sekund) tidsskala.

Kernetabspektroskopi ligner på nogle måder røntgenabsorptionsspektroskopi, men det har et par kritiske fordele. "Ved hjælp af røntgenstråler, studiet af individuelle nano-objekter og in situ atomskala-billeddannelse af materialer er stadig ret udfordrende. I denne henseende, ultrahurtig kernetabspektroskopi i elektronmikroskopi giver en kæmpe fordel. Billeddannelse, diffraktion og spektroskopi kombineres alle inden for den samme bordpladeopsætning; kompletterende oplysninger om den samme prøve kan let opnås, "sagde van der Veen.

Evnen til at visualisere den ultrahurtige dynamik i individuelle atomer har brede anvendelser på tværs af videnskabelige discipliner, fra materialevidenskab til biologi. Forskerne håber, at fremtidig udvikling inden for "pulserende elektronkilder og detektionsmetoder" vil gøre det muligt at bruge deres teknik i mere avancerede eksperimenter.